喷雾干燥粘壁之解说

第第页喷雾干燥粘壁之解说喷雾干燥的一个关键问题是物料颗粒的壁沉积，也就是粘壁。对壁沉积现象的研究和理解有助于喷雾干燥设备的选型以及操作条件的控制。壁面沉积是在实际生产中对喷雾干燥效率影响最大的因素。壁面沉积的状况将影响喷雾干燥的收率，粉末的性状，以及生产之后的清洁管理强度。干燥室器壁材质的影响喷雾干燥机器壁性质在产品粘壁过程中有重要影响。液滴在壁上的粘附与器壁材质的性质关系密切。研究显示，与不锈钢相比，尼龙由于表面能较低而显示出对物料的沉积速率明显降低。由于对物料显示较低的粘性，物料或者不易在尼龙表面产生沉积，或者易被气流剥离，又或者对颗粒撞击的响应更强而发生反弹脱离壁面，再或者颗粒长大后更易受重力影响而从沉积表面滑落。表面能较低的特氟隆表面也是一种值得注意的低粘性表面。干燥室壁温的影响有研究者建议通过降低干燥室壁温来减少壁沉积通量。这种措施在于期望室壁温度低于粉末的玻璃化转变温度。但是，在实践中却发现，当室壁温度降低时，干燥温度也随之降低，这可能导致颗粒水分挥发减弱。而颗粒所含水分对物料玻璃化温度影响很大，有时可能会发生玻璃化温度降低的影响超过壁面沉积速率降低的影响的情况，这很有可能导致粘壁更加严重。因此，壁面降温的手段并不具有普适性，难以有效避免喷雾干燥粘壁的发生。干燥室几何形状或喷雾干燥器类型的影响腔室几何形状或喷雾干燥器类型对壁面沉积的形成和程度也有一定影响。腔室几何形状可直接改变气流模式，从而影响干燥器内颗粒的行为和流动模式。一些研究人员尝试了其他可能的腔室几何形状，如纯圆锥形、灯笼形、沙漏形以及抛物线形。不仅如此，颗粒在干燥室中的停留时间以及整个干燥室的体积都会影响干燥性能。Mujumdar的一项研究结合了卧式喷雾干燥器来研究壁面沉积现象。他们报告说，即使有流化床，喷雾干燥器底部的沉积物也很明显。这是由于气流以低速通过小开口造成的。另外，大型干燥室可通过将器壁设置在大多数颗粒轨迹范围之外，通过尽可能降低接触频率来减少壁面沉积。研究显示，旋流会强化物料与壁面的接触，此时壁面沉积的可能性比无旋流时更大。数据表明，无旋流时壁面沉积最少，但蒸发仍然充足。物料粘性的影响一些将喷雾干燥器中的粘壁归因于物料粘性，物料颗粒通过粘附在壁上而产生沉积。这是因为，在高于Tg（玻璃化转变温度）的温度下，无定形粉末易处于橡胶化状态。此时，物料颗粒表现得更柔软，流动性更大，易在适宜表面产生热塑性铺展而形成粘附。因此，在喷雾干燥过程中，无定形物料的表面温度不应超过Tg以上10-20C，以避免产品粘性过大。尤其是低聚合度的碳水化合物，小分子糖类物质。在低于Tg的温度下，物料的无定形部分处于玻璃态，分子运动受到明显限制，物料更多体现结晶形态，刚性较高。此时，物料与器壁的碰撞更偏向刚性碰撞，碰撞接触面积较小，回弹较强而不易产生热塑性粘附。Ozmen和Langrish观察到，当壁沉积温度低于Tg时，壁沉积较少。当进料流速增加时，会形成较大的液滴，蒸发速率相应降低。由于干燥室内引入了较多的水，室壁以及物料的粘性都有所提高，导致壁沉积通量增加。而后，正如Ozmen和Langrish观察到的，已经沉积的颗粒将表现出对湿润颗粒更大的粘附速率。Chegini和Ghobadian报告称，在恒定的空气入口温度下，增加进料流速会增加壁面沉积。当更多的物料在干燥室内雾化时，颗粒的停留时间缩短，干燥时间减少，从而产生更湿润的颗粒。此时，颗粒的黏度更高，在提高室壁沉积通量的同时，也提高了颗粒之间的粘附速度，进而使壁沉积加大加快导致干燥收率下降。干燥助剂的影响Keshani等人的研究报告称，添加剂作为干燥助剂在减少沉积通量方面的作用非常明显。富含糖的物料中需要添加玻璃化转变温度较高的干燥助剂以减少壁沉积。此类物质一般更类似纤维素，刚性较高且有较多的亲水基团，对小分子糖类有适当的吸附能力，而且被水饱和后，此类物质的Tg降低并不明显。干燥助剂的加入可以调整物料颗粒对壁面的撞击模式，使碰撞更多地偏向刚性碰撞而减少粘性碰撞，从而有助于降低沉积通量。干燥助剂也可以降低颗粒之间的粘性碰撞频率，这对于降低润湿颗粒之间的相互粘附很有帮助。Adhikari等人的研究利用表面活性蛋白质，如乳清分离蛋白和酪蛋白酸钠来降低富糖食品的粘性。他们发现，在没有低分子表面活性剂的情况下，蛋白质会提高粉末回收率。此时，蛋白质会在表面聚集形成玻璃状薄膜，可有效提高蔗糖液滴的表面Tg，而降低蔗糖液滴的表面粘性。这类似于在颗粒表面做了尼龙涂层。尼龙在化学本质上与蛋白质有相似之处，都是通过酰胺键形成的高分子。然而，在有低分子表面活性剂时，产品收率会大幅下降。这是因为低分子表面活性剂会影响蛋白质的表面迁移，阻碍蛋白质在表面聚集形成不粘膜。Kieviet指出，物料颗粒对壁面和其它颗粒的粘附，以及物料颗粒从壁面和其它颗粒的滑落是两个重要的因素。尤其重要的是颗粒从喷雾干燥机的锥形壁上滑落所用的时间。例如，乳糖和蛋白质在颗粒表面的存在一方面可能使颗粒表面由于玻璃化转变点较高而变得更硬刚性更强；另一方面，乳糖和蛋白质的存在也可能使颗粒表面更具亲水性，因而更易与器壁或其它颗粒产生吸附。然而，Keshani等人的研究报告称，表面上存在高比例的蛋白质会导致喷雾干燥器锥体处的粘附率显著降低。这表明，颗粒的刚性，也就是较高的Tg意味着颗粒将从锥体处更快地滑落。尽管乳清蛋白表面可能含有更高比例的脂肪，但蛋白质在增加颗粒表面的疏水性方面表现更突出。全脂